当前课程知识点:材料科学基础 > 第五章 凝固 > 5.2 金属结晶的基本条件 > 金属结晶的基本条件
同学们
下面我们来学习金属结晶的热力学条件
首先来了解一下纯金属的吉布斯自由能
纯金属是单组元系
没有成分变化
它的吉布斯自由能主要是随着温度来变化
根据吉布斯自由能与温度变化的关系
可确定平衡状态和转变
吉布斯自由能G用下式来进行表示
G应该等于H减去 T乘上S
式中H是焓 T是绝对温度 S是熵
它表示系统当中原子排列有序度的参数
恒为正值
系统愈混乱 愈无序
熵值就会愈大
由自由能公式可以得出dG比上dT应该等于负的S
由于熵是恒大于0的
所以自由能是随温度的增高而减小
也就是自由能随温度变化的曲线
是一条下降的曲线
熵值是随着温度的升高而增大的
因此随着温度的增高
自由能随温度变化的曲线的下降梯度是增加的
自由能随温度变化的曲线
就是一条向上凸的曲线
因此综合上述两点
自由能随温度变化的曲线
是向上凸的下降曲线
又因为液态的熵值远大于固态的熵值
所以液相自由能随温度的下降
要比固相自由能随温度的下降要更快
因而两条曲线在一定温度下会相交
在相交的温度处
固相的自由能等于液相的自由能
固液两相处于平衡状态
相交的温度点我们就称为平衡的温度
低于相交的温度
当 T小于Tm的时候
固相的自由能
小于液相的自由能
此时固相处于稳定的状态
当高于相交的温度
T大于Tm的时候
固相的自由能大于液相的自由能
液相处于稳定状态
下面我们来看一下纯金属凝固时候的驱动力
由于液 固两相吉布斯自由能的变化曲线
还可以给出凝固转变的驱动力
如图所示
如果想使结晶的过程是自发的进行
必须要满足固相S
液相 L的自由能之差
也就是GS减去GL等于ΔG是小于0的
那么ΔG就表示为这种结晶转变的驱动力
ΔG越大 转变的驱动力越大
由于从一相转变为另一相的自由能
它的变化为ΔG等于GS减去GL
也就是等于HS减去HL括弧
然后减去 T乘以括弧 SS减去SL
等于ΔH减去T乘上ΔS
那么当在Tm温度的时候呢
ΔG是等于0的
所以有下面的关系
也就是ΔS应该等于负的Lm比上一个Tm
式子当中的Lm为融化潜热
在此过冷条件下
就会有ΔG应该等于负的 Lm乘以Δ T比上一个Tm
Lm大于0
由上式可知
要想使ΔG小于0
必须使ΔT大于0
也就是实际的凝固温度应该低于熔点Tm
也就是说需要存在过冷度
因而纯金属从液态转变为固态的驱动力ΔG
取决于什么
取决于过冷度ΔT
而且过冷度ΔT越大
ΔG的绝对值就越大
也就是转变的驱动力越大
这一节我们就先学到这里
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
-7.7 马氏体转变(二)
--马氏体转变(二)
--马氏体相变(二)
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章